抽油杆柱设计方法

有杆泵抽油系统软件设计 技术手册及操作手册一、技术手册根据SY/T5873.1-93、SY/T5873.2-93标准和油井产能预测及生产或试油情况，结合有杆泵工艺技术水平和实践经验，进行有杆泵抽油系统设计。

（一）下泵深度计算根据SY/T5873.1-93标准推荐方法计算有杆抽油泵下泵深度：（1）（2） )1(w o w w l f f -+=ρρρ （3） 式中：L p —下泵深度，m ； H —油层中部深度，m ；P wf —流压，Pa ； f w —井液初期含水率，f ； ρl —井液密度，t/m 3 ρw —水密度，t/m3，一般取1.0ρo —地面原油密度，t/m3γl —井液重度， N/m 3；（γl =ρl ×9800） R t p —生产油气比，m 3/m 3；P b —饱和压力，Pa ；P sc —泵挂深处压力，Pa ； P sc —标准状况压力，取101×103Pa ； t —泵挂深处井温，℃；β—要求的泵充满程度，无因次小数，取0.4~0.6。

以上公式中，油气比对下泵深度影响较大。

参考计算结果，结合油田实际生产情况，可对泵深进行适当调整，使其更能满足实际生产需要。

（二）有杆泵抽汲参数优选根据《采油工程手册》推荐方法对抽油参数进行优选。

为减轻抽油杆柱的疲劳，减少弹性变形影响和冲程损失，原则上按抽油机最大lswf p p p H L γ--=293/)273)(1()1/1(293/)273)(1(t f p R p t f p p R p w sc tp b w b sc tp s +-+-+-=β冲程来初选冲程。

用加速度因子（C ）计算初选冲数（n ），冲数由下式计算：（4）在选择冲程和冲数时一般要保证C< 0.225。

根据“长冲程、低冲次、合理泵挂、较高泵效”的原则，结合油田试采生产情况或生产实践经验，优选抽汲参数。

常规情况下以最大冲程、中等冲次为原则，对稠油或较深泵挂井，应以最大冲程、较低冲次计算得出。

抽油杆柱下部失稳分析与加重杆设计方法时间：2011-04-14 09:38:10.0 作者：网络来源：网络转摘在有杆泵抽油过程中，抽油杆柱下行过程中受到阻力。

在其下部自重不能抵消阻力，处于受压状态。

当压力增大到一定程度时，抽油杆发生弯曲变形，这种弯曲变形在油管内径的约束下，呈螺旋状。

杆柱失稳弯曲至少有三方面的危害：①增大冲程损失，降低泵效；②增加超应力破坏的机会；③增大杆管间的磨损，容易造成抽油杆断脱和油管漏失。

一、抽油杆柱受压段分析抽油杆柱下部在下行过程中受到的阻力被一定长度的杆柱重量抵消，杆柱上出现一个中和点，中和点以下杆柱处于受压状态。

自中和点向下抽油杆压应力逐渐增大，在其下端达到最大。

受压应力变化的影响，受压杆段发生三种形态的过渡。

靠近中和点部分由于杆柱的刚度和较小的压应力，杆柱保持挺直，不会弯曲。

向下随着压应力的增大，抽油杆发生弹性弯曲变形。

再向下，当压应力超过弹性极限后，杆柱将发生不可恢复的塑性弯曲变形。

当然，如果下行时阻力不够大，或者抽油杆的材料、结构性能较好，杆柱就可能不存在塑性变形段或弹性变形段。

由于杆柱最下端压应力最大，所以靠近下端是杆柱最容易受到失稳弯曲变形破坏的薄弱部分。

这部分的螺旋状弯曲变形最大，螺距最短。

以前，人们认为，杆柱下行时，下端受到的阻力主要包括，液流通过游动阀的阻力和柱塞与泵筒间的摩擦力。

但是，通过分析，阻力并不仅此两项，在杆柱下端面还受到向上的浮力。

1.液流阻力液流阻力来源于液流通过游动阀时发生的水头损失作用于柱塞和阀座孔间的环行面积的力。

Pv = nk·Δpv·(F - fo)其中，Δpv = hv·ρl·gω = 2πn/60μ = f(Re)分析以上关系式，可以看出：⑴.随着νl值增大，Re减小，μ减小，hv减小，Pv增大，即液流阻力Pv与液体的运动粘度νl成正比。

⑵.随着F增大，一方面（F-fo）增大（对于标准游动阀，F/fo的值近似常数，为(D/do)2≈22=4）, Pv增大；另一方面do增大，Re增大，使Pv减小。

抽油杆柱扶正器间距设计的新方法关键词:定向井抽油杆柱横向振动扶正器配置间距设计方法由于与连续梁模型相比简支梁模型得出的最大挠度值、最大应力值偏大,系统偏于安全,所以工程中较为普遍采用。

简支梁力学模型分析时仅考虑了抽油杆柱的静力分析,没有考虑动态因素[1]。

因为杆柱是随着悬点做上下往复运动,抽油泵的柱塞受到泵内液体变化压力的作用,抽油杆柱底端以及任意横截面都受到轴向激励力,因此必须考虑抽油杆柱的横向振动对扶正器布置的影响。

一、力学模型采用静力学法使用的纵横弯曲梁模型来研究抽油杆柱的横向振动,但考虑轴向载荷周期性变化对抽油杆柱横向振动的影响。

研究假设:梁各截面的中心主轴在同一平面内,且在此平面内作横向振动;梁的横截面尺寸与其长度之比较小,可以只考虑由弯曲引起的变形,而不计由剪切引起的变形及转动惯量对梁弯曲振动的影响,即简化为欧拉-伯努利梁;梁的横向振动符合小挠度平面弯曲的假设,即横向振动的振幅很小,在线形范围内。

从距离左端x处取一长度为dx的单元体,见图1。

该微段上除作用在两个截面上的弯矩M、剪力Q和分布外载荷q(x,t)外,还有假设的惯性力dfI(x)=fI(x)dx,其中fI(x)为单位长度上的分布惯性力,其大小等于分布质量m与运动加速度(x,t)的乘积,则列出单元体横向振动微分方程为:EI P(t) m=q(x,t),(1);y(x,t)=yn(t)sin,(n=1,2,…N) ,(2);(t)=-[EI()4-P(t)()2]y(t),(3)式中:E—弹性模量,Pa;I—截面对对称轴的惯性矩,m4;m—梁单位长度质量,kg/m;P(t)——轴向激励力,N;q(x,t)——简支梁上的横向分布激励力,N对于抽油杆柱的各个跨上的简支梁来讲,轴向激励力为其振动提供了动力源,而由于梁的初弯曲和其在液体中的重力构成了梁的初挠度,即成为了简支梁做横向振动的初始条件,而其边界条件正是梁振动的两端铰支座。

使用分离变量法将简支梁的横向振动位移y(x,t)表示成振型的级数形式(2)。

抽油杆柱设计方法抽油杆柱设计方法 9.3.4.1 抽油杆柱力学模型抽油杆柱力学模型是用来对抽油杆柱在抽油过程中受力状况进行分析计算的工具。

在抽油过程中，抽油杆承受到交变载荷的作用，要使得其能够安全有效的工作，其受力状况分析至关重要。

另外，抽油杆柱在抽油过程中的受力状况也是进行抽油机井工况分析和生产参数优化设计的重要依据。

(1) 抽油杆重力gL q F r r =(9-25)式中，r F 为抽油杆柱在空气中的重力，N ；L 为抽油杆柱长度，m ；r q 为抽油杆柱的每米质量，kg/m 。

(2) 液柱载荷(折算) in p out rm p l P A P A A F ?-?-=)((9-26)式中，l F 为作用在柱塞上的液柱载荷，N ；rm A 为最下一级抽油杆截面积，m 2；p A 为抽油泵活塞截面积，m 2；out P 为泵排出口处压力，Pa ；in P 为泵吸入口处压力，Pa 。

(3) 流体通过凡尔孔的阻力2232)(72925.1N S f A F p p l v =μρ (9-27)式中，v F 为流体通过凡尔孔的阻力，N ；l ρ为流体密度，kg/m 3；0f 为凡尔孔过流面积，m 2；p S 为活塞有效冲程，m ；N 为冲数，rpm ；μ为由实验确定的凡尔流量系数，由下式计算：<-?=≥-?+=4Re 6.0Re 4Re 7.1Re 10)3(lg 225.010)4(lg 325.0225.0N N N N μμ(9-28)llp p Vo f N S A d N μρ=0Re 19(9-29)式中，0v d 为凡尔孔直径，m ；l μ为流体粘度，Pa.S 。

(4) 抽油杆柱惯性载荷=ri F )/1(17902l r N S F r +??(上冲程) (9-30)=ri F )/1(17902l r N S F r -??(下冲程) (9-31)式中，ri F 为抽油杆柱惯性载荷，N ；S 为冲程，m ；r 为抽油机曲柄半径，m ；l 为抽油机连杆长度，m 。

第五节 有杆抽油系统设计¾教学目的：正确分析抽油杆柱的受力特征；掌握抽油杆柱的强度计算方法以及多级抽油杆的强度校核方法；并对有杆抽油井生产系统的设计方法和步骤以及钢杆-玻璃钢杆组合杆柱抽油技术有一个初步的了解。

¾教学重点、难点：9教学重点1、抽油杆的受力特征2、组合抽油杆柱的强度校核9教学难点1、修正古德曼图2、抽油杆柱设计方法¾教法说明：课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的曲线图。

¾教学内容：1.抽油杆强度计算及杆柱设计2.有杆抽油井生产系统设计3.钢杆-玻璃钢杆组合杆柱抽油技术安全区二、有杆抽油井生产系统设计有杆抽油系统组成：有杆抽油系统设计内容：(1) 油层(2) 井筒(4) 地面出油管线(3) 采油设备(机、杆、泵等)(4) 工况指标预测。

(1) 油井流入动态计算；(2) 采油设备(机、杆、泵等)选择；(3) 抽汲参数(冲程、冲次、泵径和下泵深度等)确定；有杆抽油系统设计目标：经济、有效地举升原油。

(1) 油井和油层数据；(2) 流体物性参数；(3) 油井生产数据。

有杆抽油系统设计依据：有杆抽油系统设计理论基础：有杆抽油系统设计基础数据：油藏供液能力节点系统分析方法三、钢杆-玻璃钢杆组合杆柱抽油技术玻璃钢杆优点(1) 重量轻，可减少设备投资，节省能源和增加下泵深度。

(2) 弹性好，可以实现超冲程。

(3) 耐腐蚀，可减少断脱事故。

玻璃钢杆缺点(1) 价格贵：是钢质抽油杆的1.6～1.8倍。

(2) 不能承受轴向压缩载荷（底部加重以保证受拉），使用 温度不能超过93.3℃。

(3) 报废杆不能溶化回收利用。

(4) 怕磨损和碰伤。

目前钢—玻璃钢组合杆柱设计理论与普通全钢杆设计相同。

腐蚀油井抽油杆杆柱组配方法研究作者：孙喆来源：《大东方》2018年第04期摘要：目前采油厂杆断躺井居高不下（42井次/月），成为制约躺井的最主要因素。

本文对现场影响最严重的抽油杆腐蚀疲劳断裂进行了分析，发现目前杆柱设计、校核方法在腐蚀油井已经明显不适应，为此提出了新的设计、校核办法，并在现场试验应用了25口井，效果良好。

关键词：抽油杆杆柱组配；抽油杆腐蚀疲劳；断裂韧度；抽油杆杆柱等寿命匹配原则一、目前杆柱设计方法评价（1）古德曼校核方法的原理古德曼假设：1）、用A3C古德曼直线代替A3d’C材料实际疲劳极限曲线；2）、对称循环疲劳极限等于材料抗拉强度的三分之一（抗拉强度取下限）；3）、假设抽油杆是无缺陷。

基于上面的三条假设，古德曼校核图版是一个偏于安全的疲劳评价办法，更多的是抽油杆杆柱设计的一个必要条件，而非一个充分条件。

抽油杆校核公式：a、最大许用负荷据改进的古德曼应力图公式：PA=（a·T·F+b·Pmin）· SF，（N）SF—使用系数（宁海、胜坨油田油层矿化水为盐水，D级杆和高强度El级杆为O.9，C级杆为0.65）b、抽油杆应力范围百分数：w=（Pmax-Pmin）/（PA-Pmin）X100%≤100%只要满足应力范围（2）胜利采油厂抽油杆失效的特点1）抽油杆失效与应力大小存在明显关系，应力范围大于60%后，杆断失效概率明显增加。

2）腐蚀工况下，低应力断裂问题2012年抽油杆大调查：全部358口井中，有腐蚀描述的共211口井，占58.9%，大调查的数据证明，胜利采油厂抽油杆腐蚀现象普遍存在。

而腐蚀断裂，主要变现为一种低应力断裂。

以ST3-5-144油井为例。

抽油杆组合：25mm*1178.94m，机型：R16-7.3-37HF（900），理论最大负荷：88.1KN，理论最小负荷：43.62KN，理论应力范围：64.47%，最大负荷差：7KN，最小负荷差：-11.4KN，实际应力范围：64.46%。

抽油混合杆柱的设计方法中国石油大学（北京）石油天然气工程学院 檀朝东应用抽油混合杆柱的目的在于尽可能地提高有效冲程进而提高泵效，因此设计中采用由多级抽油杆组成的混合抽油杆柱，并增大它在整个混合杆柱中所占的比例，各级钢丝绳抽油杆仍采用等强度设计原则，而在钢丝绳和常规杆（加重杆部分）间不采用此原则设计杆柱长度，但必须满足强度要求。

1 混合抽油杆上行程的力学分析[1-2]在上行程时混合抽油杆柱的受力主要有以下几部分： 1）柱塞上的静液柱载荷上冲程中，游动凡尔关闭，液柱作用在柱塞上的载荷：())(j r l j z zl L L g A A F +-=ρ （1）2）柱塞的重量和惯性力 )(z z Z zg a g A L F ±= （2）3）柱塞和衬套间的摩擦力当井液的含水不超过50％时，一般认为柱塞和衬套间为边界润滑，其摩擦力由下式计算 ：⎪⎪⎭⎫⎝⎛+∆=δηδπzz z z d V L p d L F 2 （3） 当含水超过50％时，认为柱塞和衬套之间可能发生干摩擦，此时产生的摩擦力由下式计算：14094.0-=δz d dF （4）4）杆柱与液体之间的摩擦力① 钢丝绳杆段与液体之间的摩擦力[3]钢丝绳杆段与液体之间的摩擦力为V m f L F r r wr )(2πη=.ϕ （5）()()mmm m m m m m f r ln 11ln ln 21ln 2222++-+-+-=（6）ϕ为钢丝绳杆的表面特性的无量纲修正系数，一般由实验确定。

② 加重杆段与液体之间的摩擦力V m f L F j j wj )(2πη= （7）()()1ln 11)(222--+-=m m mm m f j所以总摩擦力()V m f L m f L F F F j j r r wj wr w )().(2+=+=ϕπη （8） 5）流体的惯性力[]max )()(a L A A L A A F j j t r r t l la -+-=ρ （9）6）液体与油管之间的摩擦阻力在上冲程，流体与油管之间的摩擦阻力作用在柱塞上，其最大值可由下式确定：()()p tl L V m m m m F max 2221ln 113.12⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+-=πη （10）7）抽油杆在液体中的重量()()r r r r l j j jjl fg L A L AF ρρρρρρ-+-=18.918.9 （11）8）惯性载荷()max a L A L A F j j j r r r a ρρ+= （12）9）纵振在悬点上引起的振动载荷杆柱自由纵振在悬点上引起的振动载荷v F 为：()()()∑∞=++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=002212sin 1218n nj j j r rr v t n n a A E a A E V F ωπ （13） 0ω—自由振动圆频率，La20πω= 最大振动载荷发生在20πω=t 、5π…处，实际上由于存在阻尼，振动将会随时间快速衰减，故最大值是在20πω=t 处。

抽油杆柱设计步骤1.最轻杆柱方案除最上面一级，以下各级杆顶断面的疲劳强度均等于最大许用强度2.等强度设计方法应保持较高的数值，以更有效地使用抽油杆 抽油杆柱设计步骤①首先选定抽油杆的材料,确定抗张强度，并在0.8～1的范围内确定设计许用最大应力范围比。

②根据现场实际情况确定最小杆径，第一级(最下一级)杆径，取泵深L 为杆柱长度③将杆柱分为小段，计算各小段顶端面的应力范围比。

若最后一小段顶端面的应力范围比大于设计许用最大应力范围比，则停止杆柱设计，杆柱为单级杆；若第一小段顶端面的应力范围比即大于设计许用最大应力范围比，说明此杆强度不够，需换大杆重新设计；若中间某小段顶端面的应力范围比大于设计许用最大应力范围比，且则可内插求得对应顶端面应力范围比为许用最大应力范围比的第一级杆长度。

④将杆径增加3mm(我国抽油杆尺寸系列的直径差)作为第二级杆，若杆径大于28mm ，则停止杆柱设计，说明此组抽汲参数太大，超应力范围比；否则可取剩余长度为第二级杆。

用（3）计算各小段顶端的应力范围比，若第二级抽油杆最上面应力范围比小于许用应力范围比，且两级抽油杆顶部应力范围比接近，则停止杆柱设计，杆柱为两级杆；若两级抽油杆顶部应力范围比差异过大，则可减小许用最大应力范围比，重新设计杆柱。

⑤若中间某小段顶端面的应力范围比大于设计许用最大应力范围比且则可内插求得对应顶端面应力范围比为许用最大应力范围比的第二级杆长度。

增加3mm 作为第三级杆径，设计方法同第二级杆柱。

一般最小杆径取19mm ，最大杆径取=25mm ，两级抽油杆顶端面应力范围比的最大允许差值为0.05，每段长度一般为50～100 m ，深井多采用三级或四级杆柱。

有杆抽油井生产系统设计(1) 油井流入动态计算； (2) 采油设备(机、杆、泵等)选择； (3) 抽汲参数(冲程、冲次、泵径和下泵深度等)确定(4) 工况指标预测。

有杆抽油系统设计目标： 经济、有效地举升原油。